Содержание к диссертации
Введение
1. Гидравлическое удаление нефтяного кокса из реакторов коксования-многофакторный процесс 7
1.1. Факторы, влияющие на технологию гидроудаления кокса из реакторов установок замедленного коксования 7
1.2. Оценка разрушаемости нефтяного кокса и других хрупких материалов при гидравлическом их разрушении 12
1.3 .Влияние на выбор параметров технологии гидроудаления кокса из реакторов коксования конструкции исполнительных органов — гидравлических резаков 17
1.4. Задачи исследований 26
2. Нефтяной кокс - разрушаемая среда при сокращеном цикле его получения в реакторе 28
2.1. Агрегативная устойчивость дистиллятных продуктов коксования 28
2.2. Характеристики коксов, полученных из различного вида сырья коксования .34
2.3.Влияние длительности цикла коксования на изменение качественных характеристик коксов 41
2.4.Влияние теплового режима реактора коксования на качественные характеристики кокса 44
2.5. Выводы 47
3. Формирование гранулометрического состава кокса в процессе его гидроудаления из реакторов при сокращении цикла коксования 49
3.1.Влияние условий получения кокса в реакторах коксования на формировании гранулометрического состава кокса 49
3.2. Влияние параметров гидравлического разрушения кокса в реакторах коксования на формировании его гранулометрического состава 57
3.3. Динамика измельчения кокса в реакторах коксования 59
3.4. Регулирование гранулометрического состава кокса в процессе его гидравлического разрушения в реакторах 61
3.5. Выводы 64
4. Технология подготовки оборотной воды гидроудаления кокса при сокращении цикла коксования 66
4.1. Технологические приемы подготовки сточной воды для блока улавливания установок замедленного коксования при использовании её в качестве компонента оборотной воды гидроудаления кокса 66
4.2. Кинетика осаждения коксовых частиц и эффективность всплывания нефтепродуктов в сточной воде с блока улавливания 70
4.3. Разработка бессточной системы водоснабжения УЗК 72
4.4. Разработка конструкции полочного отстойника 75
4.5. Выводы 81
5. Совершенствование технологии гидроудаления кокса важный фактор сокращения цикла коксования 82
5.1 Влияние расходных параметров технологии гидроудаления кокса на эффективность процесса разрушения его в реакторах коксования 82
5.2. Влияние режимных параметров технологии гидроудаления кокса на эффективность процесса разрушения его в реакторах коксования 84
5.3. Выбор оптимальных схем гидравлического разрушения кокса в реакторах коксования при использовании гидравлических резаков с пространственной ориентацией сопел 89
5.4. Разработка и внедрение гидравлических резаков с пространственной ориентацией сопел 93
5.5 Выводы 97
Выводы 98
Список использованных источников 100
- Оценка разрушаемости нефтяного кокса и других хрупких материалов при гидравлическом их разрушении
- Характеристики коксов, полученных из различного вида сырья коксования
- Влияние параметров гидравлического разрушения кокса в реакторах коксования на формировании его гранулометрического состава
- Кинетика осаждения коксовых частиц и эффективность всплывания нефтепродуктов в сточной воде с блока улавливания
Введение к работе
Замедленное коксование в настоящее время и на ближайшую перспективу считается технически наиболее целесообразным и экономически выгодным процессом углубления переработки нефти, так как решает одновременно проблемы увеличения производства моторных топлив и нефтяного электродного кокса. Растущая потребность в нефтяном электродном коксе может быть решена за счет совершенствования действующих производств путем сокращения цикла коксования.
Технология гидроудаления нефтяного кокса наряду с технологическими параметрами процесса коксования непосредственно влияют на продолжительность цикла работы реакторов. При интенсификации работы установок замедленного коксования за счет сокращения цикла коксования до 12 часов производительность гидроудаления кокса из реакторов должна быть увеличена в 1,5-2 раза по сравнению с существующим циклом коксования 24 часа.
Имеющиеся сведения о технологии гидроудаления кокса из реакторов при сокращенном цикле коксования 12 часов на зарубежных УЗК весьма ограничены, практически отсутствуют данные по качественным характеристикам получаемого нефтяного кокса, гранулометрическому составу выгружаемого кокса и параметрах гидрорезки.
Снижение с одной стороны времени коксования, а с другой - увеличение производительности гидроудаления кокса делают сложной задачу по реализации мер обеспечивающих сохранения гранулометрического состава выгружаемого кокса, определяемого, прежде всего физико-механическими свойствами последнего в реакторе.
Поэтому актуальной задачей при сокращении цикла коксования с получением электродного кокса являются вопросы термодескруктивной подготовки исходного сырья и регулирования технологическими параметрами процесса коксования.
В условиях сокращения цикла коксования значительно возрастает объем воды потребляемой на гидроудаление кокса. Поэтому не менее важной задачей
при сокращении цикла коксования является разработка локальной системы очистки сточных вод образующихся на установке замедленного коксования с возвратом их в оборотную воду системы гидравлического удаления кокса.
Настоящая работа посвящена исследованиям физико-механических свойств нефтяного кокса, получаемого из различного вида сырья коксования в реакторах при сокращенном цикле его получения, совершенствованию технологии подготовки сточных вод установок замедленного коксования с достижением качества очищенных вод, позволяющих их использование в оборотной воде гидроудаления кокса, определению оптимальных параметров и режимов технологии гидравлического разрушения кокса при сокращении цикла коксования до 12 часов, усовершенствованию конструкции гидравлического резака с пространственной ориентацией сопел, и выявлению закономерностей формирования гранулометрического состава кокса при сокращении цикла коксования.
Работа выполнена в соответствии с координационной программой по перспективе развития коксовых производств на нефтеперерабатывающих заводах Группы «ЛУКОЙЛ».
Оценка разрушаемости нефтяного кокса и других хрупких материалов при гидравлическом их разрушении
Важное значение в процессе гидравлического разрушения кокса из реакторов УЗК имеет взаимосвязь между его физико-механическими свойствами и гидравлической разрушаемостью. К факторам, влияющим на сопротивляемость хрупкого твердого тела гидравлическому разрушению высоконапорной струей относятся: структурное разнообразие; масштаб (от субмикроскопического до мегаскопического, включающего крупные механические дефекты); анизотропия, развитие микро- и макроразрушений при удалении части объема из своего естественного поля напряжения. Несмотря на то, что хрупкое тело является, в общем, сплошным, его прочность в основном определяется количеством, размером и ориентацией имеющихся дефектов.
При изучении механизма разрушения нефтяного кокса установлены и сгруппированы факторы, определяющие эффективность процесса взаимодействия струи под давлением 11—19 МПа с массивом кокса: гидродинамические свойства струи, физико-механические свойства преграды, режимные параметры процесса резки и условия его протекания [27, 29, 71].
Характер гидравлического разрушения нефтяного кокса представлен следующим образом. Под воздействием набегающей струи в нефтяном коксе образуются локальные напряжения в области с неоднородными полями напряжения. Напряженное состояние приводит к увеличению первоначальных трещин и появлению новых. Проникание под напором в трещины ослабляет материал и ускоряет разрушение. Под действием давления в начальной стадии происходит деформация материала. Растекание струи в образованной воронке создает движение элементов среды в сторону границы образца свободной поверхности. Силовые поля, взаимодействуя с нагруженными зонами, вызывают рост напряжений в отдельных участках массива и постепенное ослабление структурных связей между частицами хрупкого тела. Уменьшение сил сцепления непосредственно в натруженной области приводит к дальнейшему росту нормальных и касательных напряжений, и в момент достижения предельного напряженного состояния происходит нарушение первоначальной структуры тела — разрушение наиболее нагруженного участка. Разрушенный объем обнажает новую поверхность, форма которой зависит от характера разрушения. Взаимодействие струи с обнаженной поверхностью (конфигурация которой отличается от первоначальной) вызывает перераспределение силовых полей, приводящее к следующему разрушению локального объема с образованием новой границы взаимодействия [76].
Исследованиями установлено [27, 71], что необходимым для струйной резки нефтяного кокса условием является определенная глубина щели, являющаяся функцией геометрических и гидродинамических параметров струи, физико-механических свойств кокса, линейной скорости перемещения струи по коксу и числа проходов струи по щели. С увеличением расстояния до образца и снижением начального давления глубина щели довольно быстро уменьшается, разрушение образцов кокса происходит при достижении определенной глубины щели, обычно более 100 мм, после чего под действием "гидравлического клина" образец разламывается. Необходимая для разрушения глубина щели уменьшается с увеличением динамического давления струи. Давление, при котором происходит истечение струи, существенно влияет на глубину щели. Увеличение давления на 2 МПа приводит к углублению щели на 40-50 % [28].
Интенсивное разрушение, сопровождающееся быстрым увеличением глубины щели, начинается, когда контактное давление превысит напряжение разрушения, равное пределу прочности кокса на сжатие асж, который из множества показателей физико-механических свойств кокса принят в качестве основного, характеризующего сопротивляемость кокса гидравлическому разрушению. Условию эффективного разрушения отвечает значение Р = (0,95 - 1,05) асж. Основная фаза разрушения протекает в начальный момент воздействия, когда напряженная область в окрестности центра струи характеризуется сильным градиентом давления, от нуля (начало натекания) до максимума (конец нагружения), т.е. имеет место импульсивный характер действия струи большого ударного напряжения и дискретное разрушение. Растрескивание образца за пределами зоны контактирования со струей является следствием развития первоначальных трещин, развитой пористости и нарушения связей между частичками кокса за счет давления проникающей в поры воды.
Из выше изложенного следует, что гидравлическое разрушение нефтяного кокса — многообразный и сложный процесс, зависящий от целого ряда факторов. В каждом конкретном случае технология разрушения нефтяного кокса зависит от контактного давления, скорости внедрения, компактности струи и физико-механических свойств массива.
Также в настоящее время накоплен большой материал по исследованиям закономерностей технологии гидравлического разрушения горных пород. Авторами многочисленных работ [16, 102, 103] по данной теме выдвинуты различные гипотезы взаимодействия непрерывной высокоскоростной струи воды с хрупким анизотропным материалом. В одних работах на основании исследования процесса разрушения и размыва горных пород в карьерах отмечено, что углубление по линии действия струи происходит в основном под действием отходящего потока воды, образованного после удара о поверхность разрушаемого массива. Влияние нормальной составляющей силы удара на интенсивность процесса врубообразо-вания считается второстепенным.
В других работах [102] полагается, что в месте контакта напорной жидкой струи непрерывного действия с массивом нормальная составляющая сила струи удара играет решающую роль при образовании вруба определенной глубины, а касательная составляющая способствует ее расширению и выносу разрушенных кусочков горной породы.
Характеристики коксов, полученных из различного вида сырья коксования
На ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» качество получаемого нефтяного кокса определяется техническими условиями ТУ 0258-128-00148636-2003 «Кокс электродный для алюминиевой промышленности. Технические условия».
Были проведены исследования по подбору сырья коксования из потенциально возможных сырьевых компонентов имеющихся на ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» для улучшения качества электродного кокса получаемого на установке замедленного коксования.
Эксперименты по коксованию компонентов и сырьевых композиций проводились на лабораторной установке (рис.2.2). Установка включает в себя стальной (XI8 HI ОТ) кубик объемом 2 л с фланцем и крышкой, соединенными с помощью шпилек - гаек. Крышка имеет два штуцера для отвода продуктов коксования и опрессовки системы азотом из баллона. Штуцера снабжены запорными вентилями. На отводном штуцере установлен манометр для контроля и регулирования давления кубике с помощью вентиля. Через крышку кубика к его днищу проходит термокарман с термопарой для определения температуры реакционной массы и кокса. После загрузки кубика сырьем, его закрывают, опрессовывают и помещают в печь. Печь имеет две секции электрообогрева. Ток в секциях регулируется по показаниям контрольно-измерительных и регулирующих приборов, установленных на щите. Печь имеет тепловую изоляцию и металлический кожух. Парообразные продукты коксования, выходящие из реактора, проходят воздушный конденсатор-холодильник и попадают в стеклянную колбу - сепаратор приемник дистиллята. Жидкие продукты остаются в колбе, а жирный газ дополнительно проходит водяной погружной конденсатор-холодильник, подается в концевой сепаратор - приемник легких продуктов и через газовые часы выбрасывается в вытяжную систему вентиляции.В диапазоне разницы температур 400- 470С происходит выход паров из кубика в приемник. При коксовании образцов сырья показание термопары установленной в кубике фиксировалась - 520 С. Необходимость поднятия температуры в коксе не ниже 520 С, объясняется тем, что при данной температуре (подсушка кокса) происходит отслоение коксового пирога от стенки кубика. Отслоение коксового пирога от стенки кубика является необходимым фактором определения выхода кокса на исходное сырье, загружаемое в кубик. Затем электрообогрев отключают. После охлаждения кубика и печи, сепараторы-приемники освобождают от дистиллята, а кубик от кокса. С целью определения количественного соотношения между продуктами, вовлекаемыми в сырье коксования для улучшения качества получаемого электродного кокса на ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», были выполнены эксперименты по коксованию на лабораторной установке различных сырьевых композиций. В табл.2.7 приведены усредненные данные анализов сырых коксов, полученных при коксовании различных сырьевых композиций на лабораторной установке коксования.
На основании коксования образцов сырьевых компонентов и их композиций на лабораторной установке была получена сырьевая смесь коксования, позволяющая улучшить качество электродного кокса, которая рекомендуется к использованию при сокращении цикла коксования на ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез», а именно: гудрон - АВТ-1 - 30 %, гудрон - АВТ-4- 10 %, гудрон - АВТ-5- 50 %, экстракты - 10 % и рисайкл (ТГК) - 1,4.
В табл.2.8 приведены усредненные данные по продолжительности работы змеевика лабораторной проточной установки термического крекинга при коксовании смесей коксования. Опыты проводились при постоянных параметрах технологического режима: температура продукта на выходе из печи — 505 -510С, давление на входе в печь — 0,5 МПа, подача сырья в змеевик печи 1 л в час.
Влияние параметров гидравлического разрушения кокса в реакторах коксования на формировании его гранулометрического состава
Большое значение при формировании гранулометрического состава выгружаемого кокса, играет определение зоны возможного взаимного варьирования расходными параметрами гидрорезки определяемые характеристикой высоконапорного водяного насоса. Отмечено, что при использовании в системе гидрорезки давления свыше 17,0 МПа увеличение давления питания с одновременным сокращением расхода воды приводит к увеличению выхода крупнокусковых фракций в суммарном выгружаемом коксе.
Большое влияние на формировании гранулометрического состава выгружаемого кокса оказывают режимные параметры гидрорезки — вертикальная скорость подачи гидрорезака и скорость вращения гидрорезака.
Таким образом, промышленные исследования показали, что при взаимном варьировании гидравлических характеристик высоконапорных струй (давление Р=17,0-22,0 МПа, расход воды Q=270 -200 м3/час) оптимальными режимными параметрами гидрорезки кокса в реакторах диаметром 5,5 м при использование следующих параметров гидрорезки (давление Р=22,0 МПа, расход воды Q— 200 м3/час) являются скорость подачи гидрорезака —2,5-3,0 м/мин и частота вращения -5-8 об/мин.
Однако выход электродных фракций в суммарном коксе при вышеуказанных параметрах гидрорезки не превысил 54 %.Это указывает на необходи мость исследования динамики измельчения кокса при выгрузке кокса из реакторов диаметром 5,5 метров с использованием давления гидрорезки 22,0 МПа.
Методика проведения исследований гранулометрического состава кокса при этом была несколько иной. Отбор проб кокса проводился фиксировано по диаметру реактора, за каждый проход гидрорезака отбиралось определенное количество проб кокса на ситовой анализ. Гидрорезку вели винтовым способом, за каждый проход гидрорезака отбиралось определенное количество проб кокса на ситовый анализ. При каждом проходе гидрорезака в реакторе отбиралось равное количество проб, что дало возможность в среднем выяснить динамику измельчения нефтяного кокса по диаметру реакторов диаметром 5,5м.
Ситовой анализ гранулометрического состава кокса показал, что основной прирост мелких фракций кокса в суммарном выгружаемом коксе при использовании давления - 22,0 МПа происходит на первоначальном участке диаметра реактора (0,5—1,5 м) и по мере приближения к стенке реактора переизмельчение кокса уменьшается. Вызвано это тем, что при существующей технологии гидроудаления кокса из-за сильного обрушения кокса на начальной стадии резки горизонтальными режущими соплами при давлении 22,0 МПа разрушение кокса на начальной стадии ведется мелким шагом, что приводит к его большому переизмельчению и, как следствие, ухудшению гранулометрического состава выгружаемого кокса.
Поэтому одним из основных факторов улучшения гранулометрического состава кокса из реакторов является — рациональное параметров гидрорезки в объеме разрушаемого массива, определяемое прежде всего использованием соответствующего способа «резки».
Выбор рационального способа выгрузки кокса из реакторов коксования также вносит значительный вклад на формирование гранулометрического состава выгружаемого кокса. Ниже в табл. 3.6 приведен гранулометрический состав кокса при использовании различных способов выгрузки кокса.
Из приведенных данных следует, что наиболее выгодным с точки зрения получения наибольшего количества электродных фракций в выгружаемом суммарном коксе при давлении гидрорезки 22,0 МПа является использование ступенчато-винтового способа выгрузки, позволяющего формировать гранулометрический состав кокса в зависимости от его прочности в реакторе коксования. Однако использование известных способов выгрузки кокса из реакторов не позволило обеспечить значительный прирост электродных фракций кокса в выгружаемом суммарном коксе.
Одним из основных факторов, влияющих на параметры технологии гидроудаления кокса является регулирование формирования гранулометрического состава кокса в процессе гидроразрушения массива кокса в реакторах установок замедленного коксования.
Важное значение при регулировании гранулометрического состава кокса в процессе гидроудаления имеет взаимосвязь между интенсивностью гидравлического разрушения массива нефтяного кокса в реакторе и сходом разрушенного кокса (кусков) в ранее образованную скважину.
Кинетика осаждения коксовых частиц и эффективность всплывания нефтепродуктов в сточной воде с блока улавливания
По кривым кинетики всплывания жидких нефтепродуктов и осаждения механических частиц (коксовых частиц) видно, что содержание коксовой мелочи на уровне 80-50 мг/дм3 в сточной воде с блока улавливания достигается при продолжительности их отстаивания х= 180 мин. При сокращении цикла коксования вследствие увеличения количества операций по пропарке и охлаждению кокса в реакторе возникает необходимость ускорения процесса очистки сточной воды с блока улавливания. Одним из эффективных методов сокращения времени очистки сточных вод от нефтепродуктов и механических примесей является использование метода тонкослойного отстаивания, рабочий объём которых разделён по высоте наклонными пластинами на ряд отстойных зон. Всплытие нефтепродуктов и отстаивание механических примесей в тонких слоях потока жидкости протекает быстро, так как путь движения всплывающих или осаждающихся частиц здесь в десятки раз меньше, чем в обычных отстойниках. При этом эффективность очистки воды от нефтепродуктов и механических примесей повышается с 50 % до 78 - 87 % при сравнительно низких капитальных затратах.
Принципиальная технологическая схема бессточной системы водоснабжения установок замедленного коксования приведена на рис. 4.3. Основой разработанной технологической схемы является блок механической очистки сточных вод установок замедленного коксования состоящий из вибросита барабанного типа и полочного отстойника, куда поступают все образуемые сточные воды. При этом надрешетная часть вибрационного сита барабанного типа (внутренняя полость) соединяется с приреакторным накопителем кокса, совмещенным с фильтр-отстойником, а подрешетная (наружная поверхность) с полочным отстойником.
При использовании бессточной системы водоснабжения установки замедленного коксования важное значение имеет качество сточной воды поступающей с блока улавливания, определяемое режимами пропарки и охлаждения кокса в реакторах.
Охлаждение кокса водой в реакторе до температуры 160С ведется с выводом продуктов в абсорбер с газойлевым орошением. Дистиллятные продукты пропарки и охлаждения кокса поступают на первую каскадную тарелку абсорбера с газойлевым орошением. В абсорбере происходит разделение поступающих продуктов прогрева реакторов, пропарки и охлаждения кокса на жидкую и газопаровую фазы. Пары нефтепродукта, газы и водяные пары с верха абсорбера поступают в воздушные холодильники. Жидкие нефтепродукты стекают по каскадным тарелкам в куб абсорбера. В качестве орошения используются некондиционный нефтепродукт из разделочной емкости.
Нефтепродукт из куба абсорбера откачивается в линию некондиционного нефтепродукта, а пары нефтепродукта и воды выводятся сверху абсорбера в разделочную емкость. В разделочной емкости происходит разделение поступившего в неё продукта на газ, жидкий нефтепродукт и водный конденсат. Жидкий нефтепродукт перетекает через перегородку в отдельную камеру разделочной емкости. Уровень нефтепродукта за перегородкой, регулируется путем его откачки насосом и подачи в качестве острого орошения в абсорбер, балансовый избыток продукта выводится в линию некондиционного нефтепродукта. Водный конденсат, отделенный от продуктов пропарки и начальной стадии охлаждения насосами откачивается на блок физико-механической очистки, откуда дозировано вводится в поток оборотной воды, подаваемой на гидроудаление кокса в реактора. При достижении температуры паров, выводимых из реактора значения 160С доохлаждение кокса ведется в водяной скруббер, откуда сточная вода подается на блок физико-механической очистке.
Полочный отстойник предназначен для очистки сточной воды с блока улавливания в оборотную воду гидрорезки реакторов коксования, путем осаждения механических примесей и улавливания всплывающих нефтепродуктов в медленно движущемся потоке воды.
Отстойник оборудуется разделительной перегородкой, стационарными и блочными пластинами. Стационарные пластины устанавливаются в периферийной полости цилиндрического корпуса отстойника, а блочные пластины — в средней части отстойника. При этом пространство между боковыми поверхностями настила перекрываются секторными пластинами. После монтажа стационарных блоков устанавливаются съемные блоки. Пластины собираются в каркас блоков вне отстойника и затем опускаются и устанавливаются в отстойнике. Пластины отстойника рекомендуется выполнить из стали 12Х18Н10Т и усилить ребрами жесткости (методом накатки - высотой 3-5 мм). Для монтажа пластин и периодической очистки стационарных пластин в случае образования на них осадка в конструкции отстойника предусмотрены монтажный люк и два люка-лаза. Пластины очищаются струями воды из брандспойта.
Со стороны подводящего патрубка установлена перегородка с решетками. Ре 76 шетки выполнены из сита инерционного грохота ГИЛ 52 с ячейкой 8x8 мм. Перегородка способствует равномерному распределению воды по сечению отстойника и отбивает основную массу коксовой мелочи. Перегородка вьшолнена из нескольких частей и монтируется по отдельности внутри отстойника. Для очистки перегородки и пластин от мусора предусмотрены люк-лазы диаметром 500 мм с лестницей.
Для сбора и удаления всплывших нефтепродуктов имеется патрубок отвода нефтепродуктов. Удаление коксовой мелочи производится периодически с сливных люков, установленных снизу по длине расположения блоков внутри отстойника и оборудованных затворами с таймерами. Для исключения замерзания сливных люков в зимний период целесообразно предусмотреть обогрев.
Конструкция полочного отстойника (рис.4.4-4.7) обеспечивает полное использование объема отстойника за счет равномерного распределения потока водного конденсата продуктов пропарки реакторов коксования путем образования отдельных конгруэнтных зон отстаивания, а также оперативный отвод механических примесей из отстойника и уменьшение длительности процесса разделения.
